论突现的不可预测性和认知能力的界限——从复杂性科学的观点看，本文主要内容关键词为：界限论文,认知论文,观点论文,能力论文,性科学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：N031文献标识码：A文章编号：1000—8934(2007)04—0018—04
本文要讨论的是突现是可预测的还是不可预测的这个颇有争论的问题。那么，什么是突现呢？这也是一个有极大争论的问题。不过对于我们这里要讨论的问题来说，将突现定义为系统整体出现了其组成部分所不具有的性质就已经足够了。问题的关键在于突现的不可预测性指的是什么，它是相对于什么条件来说是不可预测的，又相对于什么条件来说是可预测的，它在哪一些方面是不可预测的又在哪一些方面是可预测的。这里我们要区分三个问题：①一般现象的不可预测性和可预测性，这是关系到人们对现象所获得的信息是否确定的问题。②突现现象的可预测性和不可预测性，这是关系到人们对于突现现象所获得的信息在层次上是否完备的问题。③人类认识能力的界限问题，主要讨论计算能力的极限问题。
1 论信息的不确定性
世界的一般现象是可预测的，还是不可预测的呢？对自然现象和社会现象进行预测或预言，从而认为世界的现象存在着可预测性，是人类一切科学与实践活动的基础。所谓科学定律的发现，不过就是提出解释现象的假说，然后从这一假说中演绎地预言一种现象。如果这种预言得到确认，人们便将这种假说提升为科学定律的地位。一切人类(甚至许多生物)的活动都是有目的的活动。这个“目的”本身就是对未来的一种预言，一种期待，如果它是完全不可预测的(unpredictable)，则人们的一切行动都是盲目的，何来有目的的活动之可能呢？但是，由于种种客观的不确定性和主观认识能力的限制，许多自然现象和社会现象或这些现象的许多方面和特征是不可预测的，这是问题的另一个方面。在17、18世纪，由于牛顿力学的发展，人们对宏观世界的机械运动的认识渐趋完善。于是决定论兴起，科学家对于自然界的确定性和人类认识自然的能力是充满信心的，这表现在拉普拉斯的决定论上。拉普拉斯说过：“我们把宇宙的现在状态看作是它先前状态的结果，随后状态的原因，暂时设想有一位超人的智力的神灵，它能够知道某一瞬间施加于自然界的所有作用力以及自然界所有组成物各自的位置，并且能够广泛地分析这些数据，那么它就可以把宇宙中最重物体和最轻的原子的运动，均纳入同一公式之中。对于它，再也没有什么事情是不确定的，未来和过去一样，均呈现在它的眼前。”[1] 这就等于说，过去和未来的一切都是精确地或确定性地可以预测的。不过情况远没有拉普拉斯表述得那么乐观，他本人的这段话是在他的概率论一书的导论中写的。他没有注意到概率论本身依赖的是大数定律，这表明无数的单个粒子的状态计算的合成是不可能的，至少在实用上是不可能的，他的预言充其量是概率性的预言，不是单个事件的预言。不过那时大多数科学家和哲学家认为，自然现象至少在原则上是可预测的，那些预测不到的现象和测不准的问题不过是人们认识水平局限而已。到了20世纪，这种决定论和完全可预测论(大家知道，波普尔正是以后者定义前者)是否能够成立的状况更加严峻。它遭受到科学给予的三大决定性的打击。第一次打击是在量子力学中，海森堡确立他的微观现象的不可确定性原理(The Principle of uncertainty relation，德文原名为Die Unbestimmtheist relation应译为非决定性关系，旧译为：“测不准原理”)：
。这个公式表明：你要准确地测定微观客体动量p，就不能准确预测它的位置q，这里h为普朗克常数。这就是说，对于微观世界的现象要完全预测是不可能的。因为它本质上存在着不确定性。第二次打击是普利高津耗散结构的发现。耗散结构，它的具体构型和形式是通过涨落、分叉而以事先不能预测的方式出现的，你不能事先预测贝纳德对流层出现的是左旋还是右旋。这就是普利高津的宏观层次的不确定性原理：“在宏观层次上随机性仍然是主要的”“量子力学在微观层次上所发现的某些性质(测不准关系)在宏观层次上又出现了。”[2] 第三次打击是20世纪七八十年代非线性动力学对混沌现象的研究。证明即使是决定论的动力方程，尽管它没有随机项，但它所描述的现象的运动轨迹在进入奇异吸引子后对于动力方程来说是不可预测的。只要初始条件有微小的变化就会出现完全不相同的宏观结果(蝴蝶效应)。因此经典决定论彻底破产了。世界的一切现象无论自然现象还是社会现象，无论微观现象还是宏观现象，无论决定性现象还是随机现象，都是不可以确定地预测的。这就是三个世界的不确定性原理：微观世界不确定性原理，宏观世界不确定原理和混沌世界不确定性原理。它们是复杂系统突现的不可预测性论题的基础。
2 论信息的不完备性
现在我们来讨论突现现象的不可预测性是什么意思，我们现在讨论的不是一般现象的不可预测性，而是作为整体的突现性质对于作为它的组成部分的元素来说的不可预测性，它主要指的是下列两项内容或在下列两个条件下的不可预测性：
(1)我们从系统的组成元素，特别是复杂系统的组成元素的描述中，从这些组成元素的行为规律和相互关系的规律中，附加上这些元素和相互关系起作用的初始条件，也不可能准确地预言出突现现象及其规律。
(2)这种预言推理所预言的某类的突现现象对于研究者来说是从来没有出现过，或是他们所从来不知道的。这就是英国突现主义者摩根所说的“突现就是新关系的出现”，而“何谓新关系呢？我们的回答是在它们呈现为事实为我们所观察到之前，或在它们出现之前，它们具有的性质是不可能被我们预测到的。”[3]
设想我们暂时将微观不确定性原理、宏观不确定性原理和混沌不确定性原理搁置一旁，假定我们在某一低层次上已完全精确地描述了一个系统的组成元素的行为、规律及其初始条件，对于预测宏观模式的突现来说，我们掌握的信息是完备的吗？由此而导出预言的推论的前提是完备的吗？不幸，这是不完备的。因为这些低层次的组成元素及其相互关系和初始条件的描述用的是一套低层次语言，低层次的观察术语和理论概念与命题，在这里不存在那些“宏观模式”的理论概念和构型函数(configuration function)或模式函数(pattern function)。即使这些突现模式的元素组合被推出或可以被推出，从低层次的角度看也会视而不见，听而不闻。构型函数或模式函数的概念在这里极为重要。设想一个能在太阳表面生活而完全没有看到过或研究过地球上的宏观物体的人，突然闯入你的住宅，他从里面走出来，你问他看到一些什么，他只能说，像太阳表面一样，看到许多原子核、电子和其他基本粒子在空中飞舞，只不过飞舞的速度慢了许多。他能说出你的住宅里有楼上、楼下，有电灯、电话吗？能说出房子里有床铺、桌子、板凳吗？不能！因为它没有那个层次的构型函数
的概念①。这里x[1]是第1层次的事物，是某些x[1]所组成的第2层次的构型。是要经过对第2层次的事物进行经验研究的结果，它是对第2层次上的事物形态、种类、结构进行独立研究并进而对它们怎样由第1层次组成的规律进行研究的结果，表明第2层次的经验与理论的独立自主性。所以，我们当然可以从化学反应的碱基配对上预见出有个DNA双螺旋结构。但如果没有“遗传密码”这个构型函数的理论概念，以及它对观察者所提出的要求，如辨别一个基因是否对应一个生物宏观性状的观察等等，我们又怎能从低层次元素及其相互关系中推出高层次的突现性质和突现规律呢？我们可以从元胞自动机的各个元胞的“1”或“0”的两个状态，以及它们依状态变换的简单规则，一步步模拟出有一些稳定的元胞集团的元胞变化。但是我们根本就没有“滑翔机”“太空船”“滑翔机枪”这些宏观模式的类型概念或构型函数，我们又怎样知道我们观察到的元胞变化群就是这样一种构型函数的值呢？关于第i个层次上的构型函数的概念(以下我们将它记作F[i])是与该层次的理论密切相关的，或者本身就是由该层次的理论建构出来的，因而在该层次上的各种观察就表现为该构型函数的一个值。因此要预言地导出高层次突现性质或模式P[2]，必须在前提中除表述元素性质S[1]，元素之间相互关系的规律R[1]，初始条件C[1]之外，还要附加上高层次的理论概念和构型函数F[2]才有可能，即：
这里是从低层次描述的角度对高层次构型函数F[2]识别认同(identify)，即F[2]=，这里等式左边是右边的简写。原则上，突现性质P[2]是可以通过
、
这四项加以推出从而被预言的，但不幸的是这里已经偷偷地将要在高层次才能观察到的东西F[2]运到前提里面来②。如果不将它提前运进，从低层次的元素、相互关系以及初始条件是不可导出高层次的突现性质的，英国突现主义者们相当清楚这一点。所以一再强调，我们不能从低层次的描述与观察中导出或预言突现性质，“直至我们看到它们”，这是“粗糙的无情的经验事实强加给我们的”，尽管这种说法有点英国经验主义的色彩。
突现的不可预测性显然指的是对于我们来说，它的首次出现，由于缺乏高层次的构型函数，它是不可预测的。至于它出现之后，并经过反复出现，人们便可将同类型的突现性质出现的关系与条件总结为一种规律。这样一来，不但可以解释这些突现现象而且可以预言这种突现现象，甚至控制或预防某种突现现象。例如，心脏病的突然发作，泡沫经济的突现崩溃，经济危机的突然到来，世界大战的突然爆发等等，都不是完全不可预测或完全不可预防的现象。
所以高层次突现性质对于低层次的不可预测性除了由于来自微观、宏观以及混沌的信息的不确定性之外，它主要是由于依此进行这种预测的信息在层次上的不完备性。自然界和社会生活是划分层级的。我们的认识，只能局限于某几个层次之内收集信息和处理信息，这就叫做人们的认识受到“粗粒化”(coarse graining)的限制。要了解一个人的心脏运作大概至多观察和分析到细胞和大分子为止，没有可能也没有必要去探测其中的夸克的运作，当然我们现在还不敢说这些夸克的活动对于心脏没有影响。人类在任何时候了解一个具体现象总是设置了一些不可再分的东西和不可到达的边界，就如同一张电子照片有它的像素一样，在像素之下的东西无论你怎样放大我们都不能做出任何识别。这就是层级的现象与“粗粒化”的现象。对于了解一个生态系统，我们一般只收集有关该生态系统有哪一些物种的信息，以及这些物种之间的食物链关系的信息，处理这些信息以研究它们的相互关系的规律。至于更低的一些层次，如生物个体的器官、细胞以及大分子的变化就不在考察之列；而在高层次上我们应该研究这个生态系统与其他生态系统的关系以及一般的气候条件和地理条件对该生态系统的影响就已经被认为比较完备的研究了，至于更高层次的变化，例如太阳黑子的活动，银河系的活动等等，也不在考察之列，但这并不意味着我们所考察的现象与此没有关系。这种考察方式，盖尔曼称为“粗粒化”[4]，我们称为层次的限制，由于这种层级研究的限制，在预言某种突现现象出现的具体情况时，我们所收集和处理的信息总是不充分的、不完备的。
可见对于突现现象的不可预测性和可预测性方面，除了我们已谈到的一般的原则之外，还有自己的特殊前提。当我们说某个复杂系统的突现现象的不可预测性时，我们说的并不只是一般的不可预测性，而是指系统整体突现的现象、突现的模式相对于它的组成元素的性质及其相互关系的规律来说的不可预测性。因此，突现的不可预测性的根源可以图示如下：
在图1中，层次2的突现性质是在所有层次上与此相关的事件的影响下形成的，它由所有的箭头来表示。但从信息获得的角度上看，从所有箭头中得到的信息都是包含不确定性的。而要求仅从层次1的元素的行为(用实线箭头来表示)来准确预测层次2上的突现性质是双重地不可能的，即从信息的不确定性上和信息的不完备性上看都是不可能的。总之，突现的不可预测性来自预测突现所需的信息的本身不确定性和信息在层次上的缺失。
3 论计算的极限性
人们获得信息的不完备性归根结底是来自人们认识能力的局限。这集中表现在人脑以及人所发明的计算机系统计算能力的局限性上。计算机是一个物理系统，物理学的规律是决定它能做什么和不能做什么。人脑虽然不是一个物理系统，但它的运作不能违反物理规律。人和计算机的运作需要能量，根据量子力学的海森堡的不确定性关系式，能量可测量的精确度极限为：
小于这个能量，计算机不能识别信号，不能计算信息。
现在假定计算机在处理信息时按能量E进行编码，若ΔE将能量E区间[O，E]划分为N个子区间，每个区间有0与1两个状态，则该系统有2[N]个状态，其信息量为
比特，按以上的划分，E最多能处理的信息为，
。
根据爱因斯坦质能关系式代入上式得其上限为：
这就相当于当年布莱曼(Hans Bremermann)所计得的数字(2×10[47]比特)。它被称为计算极限或信息处理极限，布莱曼对这个极限的表述是：
“不可能存在一个数据处理系统，无论生命的或人工的系统能够每秒每克质量可以处理超过2×10[47]比特的信息量。”[6] 天文学家估计
这已经超出了布莱曼极限.至于指令性计划经济需要事先统计所有人口的丰富多样和千变万化的需要，并根据这种需要分配给不同的工厂、企业来寻找和采购各种原材料和劳动力进行生产。这个信息的收集、处理与传递的过程，早已超出布莱曼极限，成为不可能的事。
布莱曼极限的理论意义首先是个认识论问题，它说明人类认识是有限的。像爱因斯坦提出一个光椎问题(超过光速才能达到我们视野的世界是不可知的世界)一样，布莱曼提出一个世界是不能超过10[93]比特的世界，“这就是我们的信息世界：超过这个信息世界就是不可知的。”[6] 所以，如果要预测超过我们计算极限的事物自然也就是不可能的。
4 突现现象处于不可预测的边缘上
但是所谓“突现的不可预测性”并不表示对突现的现象完全的不可预测。现在我们回到本文的出发点，一切科学的和实践的活动，包括人们组织与管理活动都是建立在对现象的可预测的基础上的，突现不但有不可预测的一面，而且有可预测的一面，如果说从来未接触过的突现的出现带有不可预测性，则当它再次出现，特别是同类突现现象的反复出现以至于我们有可能建立前面所说的它的构型函数时，它就在相当大的程度上落入我们预测的范围。总而言之，世界上的事情是由必然性和偶然性共同决定的，人造卫星的运行特定轨线以及它的落点是不可预测的或不可准确预测的。但并不表示我们发射人造卫星，例如落到月球的哪个范围是不可预测的。蝴蝶效应粉碎了长期天气预报的迷梦，我们绝不可以为2007年某个特定地区的天气变化曲线制定一个全年的运行时刻表，就像某个气象观测站对过去一年所做的天气纪录一样，但是我们总可以预计2007年这个地区的平均降雨量、平均气温，以及对这一年度做出短期天气预报，达到相当准确的地步，这对于我们的实用目标，例如农业的耕作已经可行了。我们当然不能完全预测股票的未来的升降曲线，也不能准确预测某个国家的一场大选的结局，但它的大体走向可以通过调查分析来加以预测。不然金融学家和科学哲学家索罗斯怎样知道亚洲金融危机在20世纪末就要到来而跑到泰国炒股，一举捅破东南亚的泡沫经济，加速亚洲金融风暴的到来，不过他香港的股票投机却亏了一笔，这是他始料不及的。因此，一般说来，我们总是在可预测性和不可预测性之间，从而在可控性和不可控性之间保持必要的张力。
这样看来，突现现象并不是完全可预测的，也不是完全不可预测的，它是处于不可预测的边缘上。同样，突现现象，并不是完全可控制的，也不是完全不可控制的。它是处于不可控制的边缘上，当我们研究复杂性理论及其在组织与管理上的应用时应特别注意这种情况。
注释：
①这里上标1、2是层次的指标，不是幂指数，下同。
②关于高层次构型函数或理论概念在低层次观察与语言的识别认同问题，在科学哲学中做了许多研究。C.G.Hemple称为桥接原理，卡尔纳普称为对应规则，N.R.坎贝尔称之为“词典”，P.W.布里兹曼称之为“操作定义”，不一而足，但其基本预设则是以高层构型函数与理论概念已经存在为前提。
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